linux 原子操作
原子操作
原子操作，顧名思義，就是說像原子一樣不可再細分不可被中途打斷。一個操作是原子操作，意思就是說這個操作是以原子的方式被執行，要一口氣執行完，執行過程不能夠被OS的其他行為打斷，是一個整體的過程，在其執行過程中，OS的其它行為是插不進來的。
在linux中提供了兩種形式的原子操作：
一種是對整數進行的操作
一種是對單獨的位進行操作
在linux中有一個專門的atomic_t類型(一個24位原子訪問計數器)和一些對atomic類型變量進行相應操作的的函數
其atomic_t原型如下：
typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
它是一個只含有一個volatile類型的成員變量的結構體；因此編譯器不對相應的值進行訪問優化(因為是volatile類型的)。
原子整數操作的使用：
常見的用途是計數器，因為計數器是一個很簡單的操作，所以無需復雜的鎖機制；
能使用原子操作的地方，盡量不使用復雜的鎖機制；
對atomic_t類型的變量的使用方法以及對其所能進行的操作：
下面是相應的函數及其原型：
小提示：
******
在其函數的實現體中，有一個LOCK_PREFIX宏定義，如果選了CONFIG_SMP，就會定義這麽一個宏，與SMP相關的一些設置，否則LOCK_PREFIX的定義就為空；
******
//原子的讀取atomic_t變量的值，v是這個變量的地址
#define atomic_read(v) ((v)->counter)
//原子的設置atomic_t變量的值，v是這個變量的地址，i要設置的新值；
#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))
//原子的增加atomic_t變量的值，i是要增加的數值，v是這個變量的地址
static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
:"=m" (v->counter)
:"ir" (i), "m" (v->counter));
}
//原子的減少atomic_t變量的值，i是要減少的數值，v是這個變量的地址；
static __inline__ void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "subl %1,%0"
:"=m" (v->counter)
:"ir" (i), "m" (v->counter));
}
//原子的對atomic_t變量的值進行減少i的操作，並且檢測其結果是否為0；若為0，返回true，否則，返回false；
//i是要減少的數值，v是這個變量的地址；
static __inline__ int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)
{
unsigned char c;
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "subl %2,%0; sete %1"
:"=m" (v->counter), "=qm" (c)
:"ir" (i), "m" (v->counter) : "memory");
return c;
}
//原子的對atomic_t變量的值進行加1的操作，v是這個變量的地址；
static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)
{
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "incl %0"
:"=m" (v->counter)
:"m" (v->counter));
}
//原子的對atomic_t變量的值進行減1的操作，v是這個變量的地址；
static __inline__ void atomic_dec(atomic_t *v)
{
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "decl %0"
:"=m" (v->counter)
:"m" (v->counter));
}
//原子的對atomic_t變量的值進行減少1的操作，並且檢測其結果是否為0；若為0，返回true，否則，返回false；
//v是這個變量的地址；
static __inline__ int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
{
unsigned char c;
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "decl %0; sete %1"
:"=m" (v->counter), "=qm" (c)
:"m" (v->counter) : "memory");
return c != 0;
}
//原子的對atomic_t變量的值進行加1的操作，並且檢測其結果是否為0；若為0，返回true，否則，返回false；
//v是這個變量的地址；
static __inline__ int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
{
unsigned char c;
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "incl %0; sete %1"
:"=m" (v->counter), "=qm" (c)
:"m" (v->counter) : "memory");
return c != 0;
}
//原子的對atomic_t變量的值進行加i的操作，並且檢測其結果是否為負；若為負，返回true，否則，返回false；
//i是要增加的數值，v是這個變量的地址；
static __inline__ int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)
{
unsigned char c;
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "addl %2,%0; sets %1"
:"=m" (v->counter), "=qm" (c)
:"ir" (i), "m" (v->counter) : "memory");
return c;
}
//原子的對atomic_t變量的值進行加i的操作，並且將所得結果返回；
//i是要增加的數值，v是這個變量的地址；
static __inline__ int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{
int __i;
#ifdef CONFIG_M386
unsigned long flags;
if(unlikely(boot_cpu_data.x86==3))
goto no_xadd;
#endif
/* Modern 486+ processor */
__i = i;
__asm__ __volatile__(
LOCK_PREFIX "xaddl %0, %1;"
:"=r"(i)
:"m"(v->counter), "0"(i));
return i + __i;
#ifdef CONFIG_M386
no_xadd: /* Legacy 386 processor */
local_irq_save(flags);
__i = atomic_read(v);
atomic_set(v, i + __i);
local_irq_restore(flags);
return i + __i;
#endif
}
//原子的對atomic_t變量的值進行減i的操作，並且將所得結果返回；
//i是要減少的數值，v是這個變量的地址；
static __inline__ int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
{
return atomic_add_return(-i,v);
}
//原子的比較old與v是否相等，若相等，則把new的值寫入到v中，並且返回old的值；
#define atomic_cmpxchg(v, old, new) ((int)cmpxchg(&((v)->counter), old, new))
//原子的比較
#define atomic_xchg(v, new) (xchg(&((v)->counter), new))
/**
* atomic_add_unless - add unless the number is a given value
* @v: pointer of type atomic_t
* @a: the amount to add to v...
* @u: ...unless v is equal to u.
*
* Atomically adds @a to @v, so long as it was not @u.
* Returns non-zero if @v was not @u, and zero otherwise.
*/
//原子的對atomic_t變量的值進行加a的操作，直到v等於u，如果v與u不等，返回非零值；否則返回0；
//a是要增加的數值，v是這個變量的地址，u是要比較的值；
#define atomic_add_unless(v, a, u) \
({ \
int c, old; \
c = atomic_read(v); \
for (;;) { \
if (unlikely(c == (u))) \
break; \
old = atomic_cmpxchg((v), c, c + (a)); \
if (likely(old == c)) \
break; \
c = old; \
} \
c != (u); \
})
#define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0)
#define atomic_inc_return(v) (atomic_add_return(1,v))
#define atomic_dec_return(v) (atomic_sub_return(1,v))
//掩碼
/* These are x86-specific, used by some header files */
#define atomic_clear_mask(mask, addr) \
__asm__ __volatile__(LOCK_PREFIX "andl %0,%1" \
: : "r" (~(mask)),"m" (*addr) : "memory")
#define atomic_set_mask(mask, addr) \
__asm__ __volatile__(LOCK_PREFIX "orl %0,%1" \
: : "r" (mask),"m" (*(addr)) : "memory")
下面舉例說明原子操作的用法：
定義一個atomic_c類型的數據很簡單，還可以定義時給它設定初值：
(1) atomic_t u; /*定義 u*/
(2) atomic_t v = ATOMIC_INIT(0) /*定義 v 並把它初始化為0*/
對其操作：
(1) atomic_set(&v,4) /* v = 4 ( 原子地)*/
(2) atomic_add(2,&v) /* v = v + 2 = 6 (原子地) */
(3) atomic_inc(&v) /* v = v + 1 =7（原子地)*/
如果需要將atomic_t轉換成int型，可以使用atomic_read()來完成：
printk(“%d\n”,atomic_read(&v)); /* 會打印7*/
原子整數操作最常見的用途就是實現計數器。使用復雜的鎖機制來保護一個單純的計數器是很笨拙的，所以，開發者最好使用atomic_inc()和atomic_dec()這兩個相對來說輕便一點的操作。
還可以用原子整數操作原子地執行一個操作並檢查結果。一個常見的例子是原子的減操作和檢查。
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
這個函數讓給定的原子變量減1，如果結果為0，就返回1；否則返回0
原子位操作
操作函數的參數是一個指針和一個位號
第0位是給定地址的最低有效位
原子位操作中沒有特殊的數據類型
例如：set_bit(0, &word);
如：標誌寄存器EFLSGS的系統標誌，用於控制I/O訪問，可屏蔽硬件中斷。共32位，不同的位代表不同的信息，對其中信息改變都是通過位操作實現的
原子操作中的位操作部分函數如下：
void set_bit(int nr, void *addr) 原子設置addr所指的第nr位
void clear_bit(int nr, void *addr) 原子的清空所指對象的第nr位
void change_bit(nr, void *addr) 原子的翻轉addr所指的第nr位
int test_bit(nr, void *addr) 原子的返回addr位所指對象nr位
int test_and_set_bit(nr, void *addr) 原子設置addr所指對象的第nr位，並返回原先的值
int test_and_clear_bit(nr, void *addr) 原子清空addr所指對象的第nr位，並返回原先的值
int test_and_change_bit(nr, void *addr) 原子翻轉addr所指對象的第nr位，並返回原先的值
#include <linux/kernel.h> #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/miscdevice.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/interrupt.h> #include <linux/gpio.h> #include <mach/gpio.h> #include <asm-generic/ioctl.h> #include <asm/uaccess.h> #include<linux/wait.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/timer.h> #include<asm/atomic.h> #define MAGIC ‘B‘ #define GET_BTN_VAL _IOR(MAGIC,1,unsigned long) typedef struct { unsigned int gpio; unsigned int btn; unsigned int irq; char* name; }irq_typedef;static irq_typedef irq_source[]= { {EXYNOS4_GPX3(2),1,0,"btn1"}, {EXYNOS4_GPX3(3),2,0,"btn2"}, {EXYNOS4_GPX3(4),3,0,"btn3"}, {EXYNOS4_GPX3(5),4,0,"btn4"} }; //等待隊列靜態申請 static int condition; //static wait_queue_head_t btn_wait_que; //static init_waitqueue_head(&btn_wait_que); DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(btn_wait_que); //定時器 struct timer_list btn_timer; static unsigned long btn_num; irq_typedef* curdev; static int timer_flag; //中斷函數 static irq_handler_t gpio_btn_handler(int irq, void *dev) { curdev = (irq_typedef*)dev; if(!timer_flag) { add_timer(&btn_timer); timer_flag=1; } else mod_timer(&btn_timer, jiffies+msecs_to_jiffies(200)); return 0; } //定時器處理函數 static void btn_tim_function(unsigned long data) { printk("%s\n",curdev->name); printk("curbtn :%d\n",curdev->btn); condition=1; wake_up(&btn_wait_que); //全局變量在ioctrl中調用 btn_num = curdev->btn; } atomic_t btn_atomic = ATOMIC_INIT(1); static int btn_open(struct inode *node, struct file *fil) { int i,ret; if(!atomic_dec_and_test(&btn_atomic)) { atomic_inc(&btn_atomic); return -1; } for(i=0;i<4;i++) { //設置相應IO口為中斷 irq_source[i].irq = gpio_to_irq(irq_source[i].gpio); //請求中斷 ret = request_irq(irq_source[i].irq,(irq_handler_t)gpio_btn_handler, IRQF_TRIGGER_FALLING,irq_source[i].name,&irq_source[i]); } btn_timer.expires =jiffies+msecs_to_jiffies(200); btn_timer.function =btn_tim_function; btn_timer.data =0; init_timer(&btn_timer); return ret; } static int btn_release(struct inode *node, struct file *fil) { int i; atomic_inc(&btn_atomic); del_timer(&btn_timer); //釋放中斷號和中斷那個結構體成員 //free_irq(unsigned int irq, void * dev_id) for(i=0;i<4;i++) free_irq(irq_source[i].irq,&irq_source[i]); return 0; } static long btn_ioctl(struct file *fil, unsigned int cmd, unsigned long arg) { //int ret; //把數據轉換成用戶空間類型 和上層進行通信 void __user *argp = (void __user *)arg; wait_event_interruptible(btn_wait_que, condition); condition=0; switch(cmd) { case GET_BTN_VAL: //printk("btn_num :%ld\n",btn_num); put_user(btn_num, (unsigned int __user *) argp); //ret = copy_to_user((void __user *) argp, (void *)&btn_num,4); //copy_to_user(void __user * to, const void * from, unsigned long n); break; default: return -EINVAL; } return 0; } //文件操作集合 static struct file_operations btn_irq_fops = { .owner = THIS_MODULE, .unlocked_ioctl = btn_ioctl, .open = btn_open, .release = btn_release, }; //雜項註冊 static struct miscdevice btn_misc= { .minor = 255, .name = "btn", .fops = &btn_irq_fops, }; static __init int btn_irq_init(void) { int ret; ret = misc_register(&btn_misc); return ret; } static __exit void btn_irq_exit(void) { misc_deregister(&btn_misc); } module_init(btn_irq_init); module_exit(btn_irq_exit); MODULE_LICENSE("GPL");
1 #include <stdio.h> 2 #include <sys/types.h> 3 #include <sys/stat.h> 4 #include <fcntl.h> 5 #include <unistd.h> 6 #include <stdlib.h> 7 #include <sys/ioctl.h> 8 9 #define MAGIC ‘B‘ 10 #define GET_BTN_VAL _IOR(MAGIC, 1, unsigned long) 11 12 int main(int argc,char *argv[]) 13 { 14 int btn_fd,btn_val=0; 15 16 if(argc!=2) 17 { 18 printf("Usage:<%s> </dev/?node>\n",argv[0]); 19 return -1; 20 } 21 22 btn_fd = open(argv[1],O_RDONLY); 23 24 if(btn_fd<0) 25 { 26 printf("busy!!!!!\n"); 27 return -1; 28 29 } 30 31 32 while(1) 33 { 34 ioctl(btn_fd,GET_BTN_VAL,&btn_val); 35 //ioctl(btn_fd,GET_BTN_VAL,btn_val); 36 //sleep(1); 37 38 printf("btn_val(irq):%d\n",btn_val); 39 } 40 }
1 obj-m += btnirq.o 2 SOURCE = btntest.o 3 4 CROSS_COMPLIE = arm-linux- 5 CC = $(CROSS_COMPLIE)gcc 6 7 KERNDIR = /centos/xyd/linux-3.5 8 #CURDIR = $(shell pwd) 9 CURDIR = `pwd` 10 11 .PHONY: module clean 12 13 all: module $(SOURCE:.o=) 14 15 module: 16 $(MAKE) -C $(KERNDIR) M=$(CURDIR) modules 17 18 $(SOURCE:.o=):$(SOURCE) 19 $(CC) -o $@ $^ 20 21 %.o:%.c 22 $(CC) -c $< 23 24 clean: 25 $(MAKE) -C $(KERNDIR) M=$(CURDIR) clean 26 rm $(SOURCE:.o=)
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